Аллотропические превращения металлов

Аллотропические превращения есть способность металла, на­ходящегося в твердом состоянии, изменять свое строение при определенных температурах. Суть этих превращений заклю­чается в том, что у некоторых металлов (железа, олова, титана, ко­бальта, циркония и др.) при определенной температуре происхо­дит перестройка атомов из одного типа кристаллической решетки в другой. Способность металла при постоянном химическом со­ставе иметь различное строение, а следовательно, и разные свойства, называется полиморфизмом (полиморфизм — многообразие).

Модификации — структурные различные формы одного и того же металла — обозначаются буквами греческого алфавита: а — альфа, β — бета, γ — гамма, δ — дельта.

Модификацию, устойчи­вую при низкой температуре, принято обозначать буквой а, при повышенной температуре — β, при высокой — γ и при наиболее высокой — δ.

Аллотропические превращения, как и кристаллизация металла, протекают с поглощением или выделением теплоты, поэтому на кри­вых охлаждения можно наблюдать небольшие горизонтальные площадки. Температуры, соответствующие этим площадкам, на­зываются критическими (как и при кристаллизации).

Переход металла из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией, аллотропические превращения — вторичной кристаллизацией.

Первичная кристаллизация желе­за происходит при 1539 °С с образованием объемно-цен­трированной кубической решетки а (β)-железа, которая существует до температуры 1392 °С. При этой температуре наблюдаются ал­лотропические превращения а-железо → γ-железо с образованием гранецентрированной кубической решетки, которая существует до температуры 911 °С. При данной температуре в результате ал­лотропических превращений γ-железо → а-железо снова образу­ется объемно-центрированная кубическая решетка, которая су­ществует вплоть до комнатной температуры. Критическая темпе­ратура 768 °С к аллотропическим превращениям отношения не имеет. Она является границей существования магнитного и не­магнитного железа. При тем­пературе ниже 911 °С а-железо может быть магнитным и немагнит­ным при одном и том же строении кристаллической решетки.

Не­магнитную область железа в интервале температур от 911 до 768 °С называют β -железом, а магнитную область от температуры 768 °С и ниже — а-железом. Аллотропические превращения металла про­исходят при большинстве видов термической обработки стали.

Лекция 2. Свойства металлов, способы их определения

Общие сведения

Все детали машин в процессе эксплуатации в той или иной мере подвергаются воздействию внешних разнообразных нагрузок (растягивающих, сжимающих, изгибающих и т. д). При этом воздей­ствия могут производиться плавно, постепенно (статически) или мгновенно (динамически). Воздействуя на деталь, внешние на­грузки изменяют ее форму, т. е. деформируют. Если к детали приложены сравнительно небольшие нагрузки, то после прекра­щения их действия она принимает свою первоначальную форму — деформация исчезает.

Рисунок 2.1 - Круглый образец испытания на растяжение до (а) и после (б) (l₀ и l₁ — расчетная длина до и после испытания)

Свойство материалов прини­мать первоначальную форму после пре­кращения действия внешних сил назы­вается упругостью, а деформация, исче­зающая после снятия нагрузки, получи­ла название упругой.

Если к детали при­ложить большие усилия, то после прекра­щения их действия она не примет своей первоначальной формы, а останется деформированной. Такая деформация называется пластической.

Способность мате­риала деформироваться под действием внешних нагрузок, не разрушаясь, и сохранять измененную форму после прекраще­ния действия усилий называется пластичностью.

Материалы, не способные к пластическим деформациям, на­зываются хрупкими, они при сильном нагружении или под действием удара разрушаются внезапно. К хрупким ма­териалам относятся стекло, камень, чугун, сурьма, закаленная сталь и др.

Важным свойством материалов, наряду с упругостью и пла­стичностью, является прочность. Она характеризуется максималь­ной нагрузкой, которую выдерживает материал не разрушаясь.

Наибольшее распространение получили следующие виды ме­ханических испытаний: на растяжение (по ГОСТ 1497-84), на удар­ный изгиб и ударную вязкость (по ГОСТ 9454-78), на твердость (по ГОСТ 9012-59, ГОСТ 9013-59, ГОСТ 2999-75 и ГОСТ 9450-76), на жаропрочность (по ГОСТ 9651-73).